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Tubos de hormigón polímero para aplicaciones especiales Victor Cid

Director Técnico de Amitech Spain

victorcid@amitech.es

Resumen En los últimos años, la tecnología de la microtunelización ha experimentado una rápida evolución ofreciendo soluciones de alto nivel tecnológico y bajo coste con la máxima garantía de protección del medio ambiente.

Una de las claves del éxito de un proyecto de microtunelización es el uso de tubos de hinca de alta calidad, resistencia y fácil instalación. El hormigón polímero, con un probado rendimiento mecánico y químico y una avanzada tecnología de fabricación ha conseguido posicionarse como el material idóneo para la fabricación de tubos utilizados en microtunelización e hinca para aplicaciones de saneamiento y emisarios.

Introducción Durante décadas, el hormigón de resina termoestable ha sido utilizado por la industria química, la ingeniería civil, la industria de la construcción y la ingeniería eléctrica debido a sus propiedades de resistencia, elasticidad y resistencia a la corrosión. También conocido con el nombre de hormigón polímero, este material está formado por un agente ligante −la resina termoestable− y una gran cantidad de cargas, en su mayor parte minerales.

La producción de tubos de hormigón polímero data de principios de los años sesenta, cuando se comenzó a fabricar con el objetivo de aumentar substancialmente la resistencia de las paredes de la tubería a los ataques químicos y a las cargas internas y externas sin por ello perder las ventajas competitivas, en términos de coste, de un producto prefabricado. En 1969, sólo en Alemania ya se habían fabricado aproximadamente 50.000 toneladas de tubo de hormigón polímero, en diámetros nominales de DN 300 a DN 3500. Casi todos estos tubos fueron ensayados y utilizados como pozos colectores de aguas residuales en la industria química, de forma que incluso en esa fecha temprana ya se podía hablar de la fiabilidad de la tecnología del producto.

Material El hormigón polímero está formados por cargas de cuarzo secadas al horno, formadas por arenas y gravas con una graduación entre 0 y 16 mm, y una resina de poliéster que actúa como agente ligante. El material no contiene cemento; en su lugar, la resina de poliéster une las cargas tras el proceso de curado y dota a los tubos de una serie de propiedades adicionales, como son la elasticidad, la seguridad contra la rotura y, lo que es más importante, la resistencia a la corrosión.

El uso de resinas ya sea de poliéster, viniléster o epoxi como agentes ligantes termoendurecibles depende de los requisitos de resistencia química del material. Estos plásticos, denominados plásticos termoestables, experimentan un cambio químico (polimerización o poliadición) durante el proceso de curado que los endurece sin que puedan ser fundidos de nuevo, al contrario de los termoplásticos, como el PVC y el PE, que se ablandan y finalmente se funden bajo el efecto del calor. Esto se debe a la distinta estructura molecular de los materiales: durante el proceso de curado, en los plásticos termoestables se forman retículas espaciales de moléculas −compuestos químicos tridimensionales− mientras que en los termoplásticos se crean estructuras desordenadas de cadenas sencillas de moléculas que pueden deslizar entre sí. Además, los plásticos termoestables no se vuelven frágiles a temperaturas inferiores a 0º Celsius.

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Fabricación Actualmente el proceso de fabricación utilizado es por vibración. En éste los materiales son mezclados en una instalación de dosificación y preparación controlada por ordenador antes de ser volcados en moldes metálicos verticales formados por un núcleo interior y un molde exterior. Tras su compactación en la vibradora, los tubos son curados en los moldes, posteriormente se extraen de ellos y se someten a un proceso de curado posterior en un horno túnel. Este proceso hace que sea posible fabricar tubos con secciones circulares y ovaladas, al igual que piezas con perfiles especiales, como tubos para pozos de registro con orificios de acceso, conos y otros componentes auxiliares.

Molde de fabricación de tubos de hormigón polímero

Una vez curado se procede al mecanizado de las caras del tubo con lo que se consigue una alta precisión dimensional en perpendicularidad de las caras respecto al eje y paralelismo entre ellas.

Propiedades Los tubos de hormigón polímero tienen las siguientes propiedades mecánico-resistentes:

Resistencia a la compresión 90 N/mm2 Módulo de elasticidad 23.300 N/mm2 Resistencia a la tracción 6 N/mm2 Resistencia a la tracción debida a la flexión vertical a largo plazo 9 - 11 N/mm2 Resistencia a la fatiga anular 6 N/mm2 Resistencia a la abrasión (procedimiento Darmstadt) 0,5 mm por 100000 ciclos de carga Coeficiente de Manning 0,009

Los tubos de hormigón polímero fabricados con resinas de poliéster son resistentes a medios “altamente corrosivos y agresivos”. Dependiendo del tipo de resina utilizada, pueden ser instalados en condiciones adversas de suelo con valores de pH comprendidos entre 1 y 13. Las ventajas de los tubos de hormigón polímero, por tanto, incluyen una alta resistencia a la corrosión de las aguas o suelos agresivos, una gran capacidad de carga estática, un peso relativamente bajo, una reducida rugosidad en las paredes interiores y una elevada resistencia a la abrasión.

La resistencia química del material se verifica mediante ensayos de regresión a largo plazo conocidos con el nombre de “strain corrosion”. Estos ensayo consisten en tomar un número determinado de probetas las cuales se someten a distintos niveles de carga vertical teniendo alojadas en su interior una disolución de agua con pH 1 o pH 10. Los puntos de fallo se distribuyen a lo largo de las décadas de vida del producto (según la distribución dada por la norma de ensayo) obteniéndose resultados hasta más allá de las 10000 horas.

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Curva de regresión de la “strain corrosion” Banco de ensayos de “strain corrosion”

A través de este ensayo se determina por extrapolación cual es la retención de propiedades a largo plazo (50 años) cuando el tubo se encuentra sometido a una carga continua vertical teniendo en el interior un fluido que simula las condiciones de uso reales. Otro de los ensayos mecánicos que se realiza es el de la resistencia a la rotura. Este ensayo consiste en someter una probeta, cortada a partir de un tubo, a un ensayo de compresión.

Ensayo de resistencia a la compresión

Uno de los ensayos que también caracteriza los tubos de hormigón polímero es el de resistencia a la fatiga. Este ensayo, descrito en la norma DIN 54815, sirve para verificar cual es la resistencia del tubo a una carga externa cíclica perpendicular a su eje aplicada a lo largo de su longitud. En el ensayo las probetas se someten a una carga cíclica de 12 Hz con un valor mínimo de carga de 0,1 veces el valor de rotura de la probeta y un máximo de 0,4 veces dicho valor. El número de ciclos a aplicar debe ser como mínimo de 2x106.

Cálculo de tubos de hinca Los tubos de hinca de hormigón polímero se fabrican en los espesores de pared adecuados para soportar las cargas axiales del proceso de hinca. El dimensionamiento de los tubos se realiza para poder soportar las condiciones reales de utilización. Es conocido que durante la fase de hinca, el tubo no siempre se presiona de forma uniforme a lo largo de toda la sección. Esta seria la situación mostrada en la figura en verde con una distribución uniforme de la tensión, σ0, la cual corresponde a la tensión de compresión máxima admisible con un coeficiente de seguridad de 2.

Como durante la fase de hinca los esfuerzos que se inducen en la pared del tubo no son uniformes, se asume una distribución excéntrica.

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Pero esta excentricidad se limita, por concepto, a un máximo que corresponde al instante en el que asumiendo toda la carga en un lado del tubo en el otro se llega justo al punto de carga cero, línea amarilla del gráfico. Con esta distribución se obtiene que la carga máxima es el doble de la que actuaría con una distribución uniforme por tanto significa que debemos disminuir la carga de compresión máxima admisible a la mitad. Con ello se obtiene que el coeficiente de seguridad final de la carga máxima de compresión es en total de 4.

En el gráfico podemos ver, sobre la línea roja, lo que sucede si la excentricidad va más allá de lo que se permite con la aproximación anterior. Se aprecia como se produce una concentración de tensiones que supera el valor asumido para σmax/σ0 de 2. Ello implicaría que a partir de este momento se sobrepasaría el coeficiente de seguridad asumido con el consiguiente riesgo de rotura.

Distribución excéntrica de la carga de empuje

Características técnicas La producción en moldes metálicos garantiza la exactitud de las dimensiones y un acabado liso de las paredes, tanto internas como externas, a lo largo de la longitud del tubo. El acabado sumamente liso de la superficie externa del tubo aportará una reducción de la fricción producida durante la fase de instalación, además el esfuerzo de hinca apenas aumenta después de un periodo de interrupción prolongada. Por su construcción el tubo de hormigón polímero presenta una contracción muy pequeña y un retroceso también escaso con altas cargas de hincado.

En cuanto la superficie interior, su excelente acabado con un coeficiente de Manning de 0,009 nos permitirá obtener las mejores características hidráulicas de la conducción. El diámetro interior del tubo corresponde al diámetro nominal (DN). El diámetro exterior del tubo es compatible con la mayor parte de los equipos estándares de perforación e hinca, si bien existe la posibilidad de adaptar dicho diámetro a los requisitos estructurales u otras dimensiones de equipos. Los diámetros nominales van desde DN 200 hasta DN 2600 en longitudes que pueden ir desde 1 m a 3 m.

La unión de los tubos consta de un manguito de acero inoxidable y una junta de sellado. En el caso de las tuberías con diámetros hasta DN 1000, la junta de sellado se fija al tubo mientras que el manguito se deja flotante. En el caso de tubos con diámetros mayores, tanto el manguito como la junta se fijan al tubo.

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Stainless Steel AISI 316 Stainless Steel AISI 316 Stainless Steel AISI 316 Stainless Steel AISI 316 TiTiTiTi

Junta elastomérica de sellado Manguitos de unión de acero inoxidable

Durante la fase de instalación, para garantizar la transferencia uniforme de los esfuerzos axiales de empuje entre las caras de tubos adyacentes, se utiliza un anillo de reparto de presión de aglomerado o madera blanda sin nudos (abeto o pino) el cual se suministra montado de fabrica. Gracias al método de fabricación empleado, los tubos de hormigón polímero se pueden fabricar en diferentes formas según las necesidades del proyecto. La forma más habitual es la circular pero existen otras formas para facilitar la circulación del fluido a bajos caudales. Los más utilizados para este fin son los tubos de sección ovoidal y los de sección cometa.

En estos casos la principal preocupación reside en evitar la rotación del tubo en el momento del empuje. Para evitarlo se instalan unos pernos de tubo a tubo que evitan el mencionado efecto. Gracias a la posibilidad de utilizar una sección diferente a la circular, el flujo hidráulico puede vehicularse adecuadamente en condiciones de trabajo completamente distintas de alto y bajo caudal.

Tubo de hinca de sección circular DN 2600

Tubo de hinca de sección cometa

Tubo de hinca de sección ovoidal

Tubos de hormigón polímero para hinca

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En fábrica, pueden instalarse válvulas en las paredes de los tubos para la inyección de bentonita las cuales permitirán lubricar el exterior de los tubos y por tanto facilitar la operación de hinca. Dichas válvulas de inyección cuentan con una válvula de retención y un tapón obturador.

Normas aplicables La norma DIN 54815, “Tubos y accesorios de hormigón polímero”, fue elaborada por el grupo de trabajo 505.1 del Comité de Normas de la Ingeniería de Plásticos del DIN.

Los perfiles de la junta de sellado deben cumplir los requisitos de la DIN 4060.

El Comité Técnico TC 155 del CEN : Plastic piping and ducting systems en su Grupo de Trabajo WG 14 conjuntamente con el TC 165: Waste Water Engineering desarrollan la norma Europea prEN 14636 para los tubos de hormigón polímero “Plastic piping sytems for non-pressure drainage and sewerage made from polyester resin concrete (PRC)”

Así mismo existe en Estados Unidos la norma ASTM D6783 para tubos de hormigón polímero “Standard Specification for Polymer Concrete Pipe”.

Conclusión Los tubos fabricados en hormigón polímero han venido a satisfacer las necesidades de los mercados que precisan de tubos altamente resistentes a la corrosión como pueden ser el saneamiento, urbano e industrial, o plantas desaladoras.

El tubo de hinca, como sistema de instalación particular de este material, ha supuesto un éxito relevante ya que ha supuesto la utilización creciente de un material reconocido y estudiado, en uno de los sistemas de instalación con mayor proyección de los sistemas actuales de instalación sin zanja. Ello convierte el hormigón polímero en uno de los materiales con mejor futuro en la utilización de las tuberías de hinca.